滿足高溫風(fēng)沙環(huán)境的SDD1型內(nèi)燃機(jī)車提升性研究及應(yīng)用

伍 華，李廉楓，朱延?xùn)|

(中車資陽機(jī)車有限公司，四川 資陽 641301)

0 引言

SDD1型內(nèi)燃機(jī)車是中車資陽機(jī)車有限公司為蘇丹鐵路設(shè)計(jì)生產(chǎn)的干線客貨運(yùn)窄軌電傳動(dòng)機(jī)車，首批5臺SDD1型內(nèi)燃機(jī)車為2005年設(shè)計(jì)制造，于2006年3月正式交付使用[1]。截至2021年底已經(jīng)出口蘇丹26臺，承擔(dān)了克斯汀—喀土穆—蘇丹港之間的干線貨運(yùn)牽引任務(wù)。沿線風(fēng)沙嚴(yán)重，起風(fēng)時(shí)，漫天風(fēng)沙彌漫，全年大部分溫度都在40 ℃。機(jī)車在投入運(yùn)用初期，存在側(cè)墻防風(fēng)沙過濾能力不足、柴油機(jī)進(jìn)氣過濾能力不足、室內(nèi)溫度高等問題，影響了運(yùn)行效果。

1 機(jī)車關(guān)鍵技術(shù)提升性研究

1.1 高溫風(fēng)沙環(huán)境下的柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)提升性研究

蘇丹國家鐵路沿線多風(fēng)沙，環(huán)境惡劣，為保證柴油機(jī)增壓器進(jìn)氣空氣的清潔度，機(jī)車柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)采用成熟的三級過濾系統(tǒng)和動(dòng)力除塵方案。原SDD1型機(jī)車進(jìn)氣系統(tǒng)由防沙網(wǎng)、粗濾器、紙濾器和排塵風(fēng)機(jī)等組成，原機(jī)車進(jìn)氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—防沙網(wǎng)；2—慣性式粗濾器；3—紙濾器；4—排塵風(fēng)機(jī)；5—彎頭。

該進(jìn)氣系統(tǒng)存在的主要問題如下：由于采用卡特空氣濾清器，空間布置緊張?jiān)斐煽諡V器與柴油機(jī)增壓器之間新增了2個(gè)90°直角流道彎頭，導(dǎo)致進(jìn)氣阻力大，不適合運(yùn)用于蘇丹風(fēng)沙環(huán)境，濾芯需要經(jīng)常進(jìn)行吹掃清理；慣性式粗濾器、紙濾器在車上為散件安裝，安裝工作量大，組裝工藝難度大；安裝在機(jī)車兩側(cè)走廊上的排塵風(fēng)機(jī)電機(jī)，在蘇丹高溫的運(yùn)用環(huán)境里經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)燒損情況。因此，本文針對以上問題進(jìn)行了提升性研究。

1.1.1 模塊化設(shè)計(jì)研究

將慣性式粗濾器、紙濾器和流道集成一體，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，如圖2所示。2組雙筒紙濾器布置在進(jìn)氣單元下方，其上方布置4個(gè)慣性式粗濾器，4個(gè)慣性式粗濾器設(shè)置公共排塵腔道進(jìn)行集中排塵，2組紙濾器之間設(shè)置細(xì)濾腔道。進(jìn)氣單元在地面組裝后，整體吊裝到車上，通過4顆螺栓安裝在機(jī)車側(cè)墻上，再通過軟管與柴油機(jī)增壓器、側(cè)墻進(jìn)風(fēng)道和隔墻排塵道相連，安裝簡單方便，大大提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，進(jìn)氣模塊可在車下組裝，降低了組裝工藝難度并確保了組裝質(zhì)量。

圖2 優(yōu)化后的進(jìn)氣模塊組裝圖

1.1.2 進(jìn)氣阻力優(yōu)化研究

為了降低進(jìn)氣系統(tǒng)阻力，在進(jìn)氣單元設(shè)計(jì)時(shí)只采用卡特紙濾器，不再采用阻力較大的空濾器殼體，同時(shí)采用空間三維流道代替以前的管道結(jié)構(gòu)，減少了2個(gè)90°直角流道彎頭。通過阻力計(jì)算，采用進(jìn)氣單元結(jié)構(gòu)后進(jìn)氣系統(tǒng)的總成阻力為3.86 kPa，比以前方案降低約0.5 kPa。改進(jìn)優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)如圖3所示，在沒有改變機(jī)車走廊通過性的同時(shí)降低了進(jìn)氣系統(tǒng)阻力，簡化了機(jī)車上的組裝工藝。同時(shí)，將紙濾器的維護(hù)保養(yǎng)由以前在主發(fā)電機(jī)上方進(jìn)行優(yōu)化到走廊兩側(cè)，極大地方便了紙濾芯的維護(hù)保養(yǎng)和更換。

1—防沙網(wǎng)；2—紙濾器；3—粗濾器。

柴油機(jī)在滿載負(fù)荷工況下的對比分析：現(xiàn)車(0001#)試驗(yàn)進(jìn)氣阻力測試值3.81 kPa小于現(xiàn)車?yán)碚撚?jì)算值3.86 kPa，也小于已出廠SDD1型機(jī)車進(jìn)氣阻力測試值4.3 kPa。 對比已出廠SDD1型機(jī)車，優(yōu)化后進(jìn)氣阻力值比已出廠SDD1型機(jī)車低約0.5 kPa，對比柴油機(jī)要求的最大阻力6.2 kPa，富余量由原1.9 kPa提高到2.39 kPa，提高比例約25.8%，改善明顯。

1.1.3 除塵通風(fēng)機(jī)優(yōu)化研究

研制了機(jī)械式動(dòng)力除塵通風(fēng)機(jī)，安裝在前變速箱上，由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。除塵通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化，除塵通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量隨柴油機(jī)進(jìn)氣量變化，保證柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下除塵通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量與柴油機(jī)進(jìn)氣量維持在相對固定的比例，以保證慣性式粗濾器引射抽塵率維持在10%～13%的高效濾清區(qū)域，慣性式粗濾器始終工作在94%的最高濾清效率點(diǎn)，較大程度地提升了進(jìn)氣單元風(fēng)沙過濾效率。機(jī)械式除塵通風(fēng)機(jī)全為鋼結(jié)構(gòu)，不受環(huán)境溫度影響，解決了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的排塵風(fēng)機(jī)組在高溫運(yùn)用環(huán)境中電機(jī)頻繁燒損的問題。

1.2 高溫風(fēng)沙環(huán)境中車體通風(fēng)方式適應(yīng)性研究

原有機(jī)車在運(yùn)用中暴露出車體漏沙的問題，主要有：機(jī)車的側(cè)墻防沙濾網(wǎng)與車體不密貼，有閃縫，風(fēng)沙從縫隙中進(jìn)入車內(nèi)；機(jī)車主車架上開孔未做好密封處理，機(jī)車運(yùn)行時(shí)，風(fēng)沙從開孔處進(jìn)入車內(nèi)。如果機(jī)車柴油機(jī)廢氣排放管處，周邊閃縫很大，動(dòng)力間的沙塵主要從此處進(jìn)入機(jī)車。機(jī)車電阻制動(dòng)裝置進(jìn)風(fēng)口密封不好，造成電氣間進(jìn)沙嚴(yán)重。機(jī)車?yán)鋮s間后牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)處，風(fēng)量需求大，由于側(cè)墻防沙濾網(wǎng)與機(jī)車車體不密貼，大量風(fēng)沙由側(cè)墻進(jìn)入車內(nèi)，加上冷卻間有油污、水蒸氣，這些臟氣由風(fēng)道進(jìn)入牽引電機(jī)造成牽引電機(jī)整流柜表面吸附沙塵和油水[2]。

為適應(yīng)機(jī)車在蘇丹高溫及多風(fēng)沙的運(yùn)用環(huán)境，機(jī)車在運(yùn)行過程中，柴油機(jī)、主發(fā)電機(jī)、硅整流柜和其他一些電氣設(shè)備等需要冷卻用風(fēng)來保證機(jī)車的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為此進(jìn)行了機(jī)車車體通風(fēng)方式的研究。

在蘇丹，機(jī)車運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，機(jī)車不但要承受高溫、風(fēng)沙的影響，而且機(jī)車在用風(fēng)清潔度方面也有一定的要求。因此，當(dāng)機(jī)車運(yùn)用環(huán)境為多風(fēng)沙地區(qū)時(shí)，須進(jìn)行防風(fēng)沙提升設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的機(jī)車車體通風(fēng)流向如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的車體通風(fēng)圖

車體進(jìn)風(fēng)采用側(cè)壁進(jìn)風(fēng)，靠機(jī)車內(nèi)部負(fù)壓自然進(jìn)風(fēng)，電器室、動(dòng)力室、冷卻室側(cè)壁兩側(cè)均設(shè)有瓦楞百葉窗，瓦楞百葉窗背后安裝有濾器裝配，動(dòng)力室頂棚設(shè)有2個(gè)車體通風(fēng)機(jī)。雖然瓦楞百葉窗加濾器結(jié)構(gòu)能減少有效通風(fēng)面積，但為保證進(jìn)入車體內(nèi)部空氣的清潔度，有效防止風(fēng)沙樹葉等雜物進(jìn)入車體內(nèi)部，濾器裝配由濾網(wǎng)及可換式濾芯組成，濾器裝配安裝方式采用快裝機(jī)構(gòu)，方便檢修。

機(jī)車為了適用于高溫、風(fēng)沙大的惡劣的環(huán)境中，對散熱與防風(fēng)沙要求高。通過對比西亞國家與非洲沙漠國家客戶以往的機(jī)車運(yùn)行情況及公司售后反饋的信息，選取了瓦楞百葉作為機(jī)車主要的通風(fēng)方式，瓦楞百葉具有很好的防風(fēng)沙效果，能夠應(yīng)對風(fēng)沙環(huán)境。針對原有瓦楞百葉通風(fēng)弊端面積較小，影響機(jī)車高溫散熱的情況，結(jié)合機(jī)車總體布局，將側(cè)墻盡可能地全部布置為瓦楞百葉，瓦楞百葉布置面積大了，散熱通風(fēng)量自然上去了。通過對車體通風(fēng)風(fēng)量流場計(jì)算，車體電氣室的進(jìn)風(fēng)速度為2.78 m/s，動(dòng)力室、冷卻室進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為7.9 m/s，動(dòng)力室排風(fēng)速度0.83 m/s，機(jī)車車體通風(fēng)方式能夠適應(yīng)蘇丹高溫、多風(fēng)沙的運(yùn)行環(huán)境。

1.3 適應(yīng)高溫、風(fēng)沙環(huán)境的微機(jī)控制技術(shù)研究

原SDD1型內(nèi)燃機(jī)車采用16位CPU微機(jī)系統(tǒng)，該微機(jī)控制系統(tǒng)主要包含電源板、輔發(fā)板、調(diào)速板、驅(qū)動(dòng)板、數(shù)字量板、模擬量板、主控板、通信板、繼電器板、信號轉(zhuǎn)換板、PRCM和顯示屏，需要通過中間繼電器配合來進(jìn)行邏輯控制，并需要配備獨(dú)立的信號處理板，對信號進(jìn)行采集和處理。該系統(tǒng)微機(jī)拓?fù)鋱D見圖5。

圖5 原微機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

原SDD1型機(jī)車微機(jī)系統(tǒng)存在的問題：微機(jī)的警惕功能在用戶處多次出現(xiàn)問題；微機(jī)使用的顯示屏按鍵不良；微機(jī)系統(tǒng)的配件采購周期長，故障率高；微機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，由電源濾波裝置、微機(jī)控制箱、信號轉(zhuǎn)換板等多硬件構(gòu)成。

為提升公司自主微機(jī)可靠性，增強(qiáng)抗振動(dòng)能力，提高微機(jī)系統(tǒng)散熱能力，適應(yīng)蘇丹線路高溫、多風(fēng)沙的運(yùn)行環(huán)境，微機(jī)系統(tǒng)主要從以下方面進(jìn)行優(yōu)化研究：①強(qiáng)化自主開發(fā)設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)控制功能，達(dá)到微機(jī)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。②提升微機(jī)箱安裝的可靠性，優(yōu)化微機(jī)柜內(nèi)敏感電子元件的安裝方式，增強(qiáng)抗沖擊振動(dòng)的能力。③優(yōu)化微機(jī)柜內(nèi)的布線，降低導(dǎo)線接插點(diǎn)松動(dòng)和虛接風(fēng)險(xiǎn)。④提高微機(jī)箱的防風(fēng)沙和散熱能力，提升微機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。⑤新增部分邏輯控制程序替代部分繼電器控制，提高機(jī)車可靠性。

優(yōu)化后的微機(jī)控制統(tǒng)由G300微機(jī)主機(jī)、Ⅰ/Ⅱ端顯示屏、柴油機(jī)控制器ECM等組成，微機(jī)系統(tǒng)工作原理圖見圖6，機(jī)車微機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖7。微機(jī)箱采用緊湊型G300 3U84R，全鋁合金型材組裝，無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。微機(jī)控制系統(tǒng)通過對機(jī)車上各種信號的采集，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車的牽引控制、故障診斷、故障保護(hù)及其他控制功能，提高了機(jī)車在高溫、風(fēng)沙環(huán)境的適應(yīng)能力和運(yùn)行可靠性。

圖6 微機(jī)系統(tǒng)工作原理

圖7 微機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

采用新型微機(jī)控制系統(tǒng)后，取消了原控制線路中的中間繼電器，由微機(jī)系統(tǒng)代替中間繼電器實(shí)現(xiàn)機(jī)車的邏輯控制功能，提高機(jī)車可靠性的同時(shí)也增強(qiáng)了機(jī)車整體的防風(fēng)沙能力。機(jī)車微機(jī)系統(tǒng)集成了柴油機(jī)PRCM的功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車在高海拔、高溫的運(yùn)行條件下，自動(dòng)降低柴油機(jī)輸出功率的功能，避免因柴油機(jī)過載故障而機(jī)破，提高了機(jī)車在高溫環(huán)境的適應(yīng)能力和運(yùn)行可靠性。

2 其他結(jié)構(gòu)提升性研究

2.1 車體

頂蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化：頂蓋輪廓及把接方式調(diào)整。

冷卻室側(cè)壁結(jié)構(gòu)更改：為解決空壓機(jī)檢修、更換困難的問題，將冷卻室側(cè)壁斜撐結(jié)構(gòu)調(diào)整，將靠近司機(jī)室側(cè)的斜撐取消，預(yù)留空壓機(jī)起吊空間。

車架邊梁結(jié)構(gòu)更改：司機(jī)室更換成流線型，車架邊梁側(cè)板下部分須改成曲面，因側(cè)板厚度為12 mm，工藝成型難度較大，故此次車架改進(jìn)將邊梁側(cè)板拉直，調(diào)整與側(cè)板下邊緣相接的排障器輪廓，使二者過渡圓滑。

2.2 轉(zhuǎn)向架

構(gòu)架上焊接的電機(jī)吊座由鑄件結(jié)構(gòu)簡統(tǒng)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

由于原側(cè)梁端部成封閉型結(jié)構(gòu)，焊接工藝性差，側(cè)梁端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，成開放式結(jié)構(gòu)，提高了側(cè)梁焊接工藝性。構(gòu)架側(cè)梁原拉桿座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫多，焊接工藝性差。拉桿座優(yōu)化設(shè)計(jì)后，實(shí)現(xiàn)了與HD100B蘇丹動(dòng)車的簡統(tǒng)，減少了焊縫，提高了焊接工藝性。

原焊接在車體橫梁上整車起吊座，由于車架橫梁成不對稱布置，轉(zhuǎn)向架整體起吊存在前、后轉(zhuǎn)向架差異。現(xiàn)車整體起吊采用對稱結(jié)構(gòu)布置，將車架橫梁不對稱處的整體起吊座更改為焊接結(jié)構(gòu)件，其他對稱位置整體起吊座保持與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相同，實(shí)現(xiàn)了前、后轉(zhuǎn)向架簡統(tǒng)。

2.3 空氣制動(dòng)系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)采用Wabtec公司的26-L型制動(dòng)機(jī)，具備重聯(lián)功能。針對前幾批SDD1型機(jī)車運(yùn)行情況及用戶車輛泄漏嚴(yán)重情況，將機(jī)車緊急制動(dòng)方式由原緊急制動(dòng)改為常用制動(dòng)，減少列車組在線路上非正常停車時(shí)間。

將緊急制動(dòng)下小閘增壓的制動(dòng)缸壓力限制在420 kPa，避免用戶因誤操作而出現(xiàn)輪對抱死的情況。為提高管路清潔度和外觀質(zhì)量，減少制動(dòng)故障，原制動(dòng)管材質(zhì)由碳鋼管改為不銹鋼管。對管接頭進(jìn)行簡統(tǒng)，將原廠標(biāo)接頭統(tǒng)一為鐵標(biāo)接頭，機(jī)車端部防塵堵板由固定結(jié)構(gòu)改為可調(diào)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)無火組裝。

3 應(yīng)用效果

2020年9月，中車資陽機(jī)車有限公司又獲得了27臺蘇丹SDD1型窄軌貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車訂單，關(guān)鍵技術(shù)提升性研究成果全部應(yīng)用于新制的SDD1型機(jī)車上，“中國造”的窄軌內(nèi)燃機(jī)車產(chǎn)品已徹底在蘇丹鐵路市場扎根，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。目前完成研制的23臺已發(fā)往蘇丹，樣車實(shí)物見圖8。

圖8 樣車實(shí)物

4 結(jié)語

為更好適應(yīng)高溫風(fēng)沙環(huán)境下窄軌鐵路的要求，本文對SDD1內(nèi)燃型機(jī)車關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行提升性研究并取得以下的研究成果。

1)針對沙漠風(fēng)沙運(yùn)用環(huán)境，研發(fā)了模塊化進(jìn)氣單元，降低了進(jìn)氣阻力提高空氣過濾效率。

2)針對沙漠風(fēng)沙環(huán)境下原有瓦楞百葉存在通風(fēng)面積較小、防風(fēng)沙能力不強(qiáng)、機(jī)車高溫散熱能力等問題，結(jié)合機(jī)車總體布局，研發(fā)了一種新型的瓦楞百葉結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化濾器結(jié)構(gòu)、增加新型瓦楞百葉的安裝數(shù)量，提升了機(jī)車通風(fēng)散熱能力和機(jī)車防風(fēng)沙性能。

3)自主研發(fā)了微機(jī)控制系統(tǒng)，通過對機(jī)車上各種信號的采集，實(shí)現(xiàn)對機(jī)車的保護(hù)、故障診斷及其他控制功能，提高了機(jī)車在高溫風(fēng)沙環(huán)境的適應(yīng)能力和運(yùn)行可靠性。